Tuttavia, man mano che le prestazioni intrinseche dei chip SiC si avvicinano al loro limite teorico, l'attenzione per il miglioramento si sposta su un altro componente del modulo che storicamente ha ricevuto meno attenzione: il package.
Il package non è semplicemente un contenitore. È la struttura che collega elettricamente i chip al substrato isolante, forma i circuiti interni e li protegge dalle vibrazioni meccaniche e dai contaminanti ambientali. Ed è proprio questa struttura a rappresentare una fonte significativa di induttanza parassita, perdite aggiuntive e limitazioni della durata di vita dovute all'affaticamento termomeccanico. Per massimizzare le prestazioni del SiC, sono necessari package più compatti con minori perdite di potenza.
La soluzione: interconnessione tridimensionale con PCB e pin conduttivi.
Fuji Electric ha sviluppato una struttura di cablaggio tridimensionale (3D) come nuova tecnologia di packaging, con l'obiettivo di ottenere miniaturizzazione e minori perdite di potenza nei moduli a semiconduttore di potenza in SiC.
Il salto concettuale rispetto ai design convenzionali è sostanziale. Tradizionalmente, per collegare i chip sul substrato isolante si utilizzavano fili e clip. Nella nuova struttura, questo cablaggio è stato sostituito da un circuito stampato (PCB), collegato in tre dimensioni tramite pin conduttivi pressati sulla scheda.
L'utilizzo di un PCB come elemento di interconnessione interno non è banale. Rispetto ai fili di alluminio o alle clip di rame che hanno dominato il packaging di potenza per decenni, un PCB consente di definire i percorsi di corrente con una precisione geometrica molto maggiore, ridistribuendo la corrente in modo più uniforme tra i chip in parallelo e riducendo la lunghezza effettiva degli anelli di corrente che generano induttanza parassita. Il collegamento tramite pin conduttivi pressati, anziché saldati, offre un ulteriore vantaggio in termini di riproducibilità del processo produttivo e controllo della deformazione termomeccanica.
Risultati quantificati: tre miglioramenti simultanei
- Riduzione del volume: -50%
La nuova struttura ha ridotto il volume del prodotto di circa il 50% rispetto al prodotto convenzionale. Per il sistema di propulsione di un veicolo elettrico, dove l'inverter compete per lo spazio con la batteria, il motore e i sistemi di raffreddamento, una riduzione del volume di questa entità nel modulo a semiconduttore ha implicazioni dirette per la progettazione meccanica del gruppo propulsore e la possibilità di ampliare l'abitacolo interno.
- Riduzione dell'induttanza parassita: -70% → perdite di commutazione -50%
L'ottimizzazione del percorso della corrente utilizzando la struttura di cablaggio 3D ha ridotto l'induttanza parassita del circuito interno di circa il 70% rispetto al prodotto convenzionale, con conseguente riduzione delle perdite di commutazione di circa il 50%.
Questo risultato merita un'ulteriore considerazione. L'induttanza parassita nel circuito di commutazione di un modulo MOSFET di potenza è direttamente responsabile del picco di tensione che si verifica durante lo spegnimento. Maggiore è l'induttanza del loop, maggiore è il picco di tensione e maggiore è il margine di tensione del chip richiesto, il che penalizza sia la selezione dei componenti sia la frequenza di commutazione massima operativa in sicurezza. Ridurre l'induttanza parassita del 70% significa che il chip può commutare più velocemente con una minore sovratensione, sfruttando al meglio la capacità intrinseca del SiC e riducendo le perdite in ogni ciclo di commutazione.
- Miglioramento della durata della giunzione: ×5
La struttura di connessione del pin conduttivo riduce l'area di giunzione del chip rispetto alla soluzione convenzionale e, alleviando le sollecitazioni generate dalla deformazione termica in quella giunzione, la durata della giunzione è migliorata di circa cinque volte.
La fatica delle giunzioni di saldatura è il principale meccanismo di degrado per i moduli di potenza nelle applicazioni di trazione, dove il ciclo termico è continuo e di elevata ampiezza. Il fatto che la nuova geometria del pin conduttivo, riducendo l'area di contatto e ridistribuendo meglio le sollecitazioni meccaniche, moltiplichi per cinque la durata della giunzione rappresenta un salto qualitativo nell'affidabilità del modulo, con un impatto diretto sugli intervalli di manutenzione e sul tasso di guasto sul campo.
Contesto: La corsa all'autonomia dei veicoli elettrici.
Si prevede che i veicoli elettrici si diffonderanno ampiamente con la transizione a medio-lungo termine verso la decarbonizzazione. I loro sistemi di propulsione sono costituiti da un motore elettrico e un inverter, che preleva energia dalla batteria per alimentare il motore. Per superare le sfide legate al miglioramento dell'autonomia e all'aumento dello spazio interno, è necessario miniaturizzare il sistema di propulsione elettrica e migliorarne l'efficienza.
La relazione tra le perdite dell'inverter e l'autonomia del veicolo è diretta: ogni watt perso nel modulo a semiconduttore è energia che non raggiunge la ruota. Alla potenza tipica di un inverter di trazione (da decine a centinaia di kilowatt), una riduzione del 50% delle perdite di commutazione si traduce in un miglioramento significativo dell'efficienza complessiva del sistema e, di conseguenza, dei chilometri percorribili con una singola carica.
Piano di commercializzazione
Questa tecnologia verrà applicata ai moduli semiconduttori di potenza dell'azienda nel corso dell'anno fiscale 2026. Fuji Electric vanta una lunga esperienza nello sviluppo e nella produzione di moduli IGBT e SiC per la trazione, con una presenza sia presso i produttori di veicoli che presso i fornitori di sistemi di propulsione di primo livello.
Conclusione:
La struttura di cablaggio 3D sviluppata da Fuji Electric rappresenta un significativo passo avanti, non solo per i valori numerici raggiunti (metà del volume, riduzione del 70% dell'induttanza parassita, metà delle perdite di commutazione e cinque volte la durata della giunzione), ma anche per la coerenza della soluzione: un'unica decisione progettuale nel package migliora simultaneamente la densità di potenza, l'efficienza e l'affidabilità, i tre parametri che determinano la competitività di un modulo SiC nelle applicazioni di trazione. Con la sua implementazione prevista per il 2026, l'industria dei veicoli elettrici avrà accesso a moduli con un rapporto prestazioni/volume sostanzialmente migliore rispetto alla generazione attuale.
